Лабораторный практикум по оборудованию биотехнологических производств. Единое окно доступа к образовательным ресурсам
Главная
Каталог
Библиотека
Форум
Новости
Глоссарий
Порталы
О проекте
Лабораторный практикум по оборудованию биотехнологических производств
Текстовая версия документа PDF (размер: 396.6 КБ)
Качество преобразования для различных документов может сильно различаться. Изображения (картинки, формулы, графики) в документе игнорируются. Защищённый документ не может быть преобразован.
Предыдущая
1
2
3
Следующая
части подъемной колонны выводится. Для вращения ηобщ-общий КПД передачи
шнеков установлены электроприводы мощностью 3,2 кВт,
частотой вращения 1500…150 мин-1. Мощность, затрачиваемая на транспортировку
Основными показателями, характеризующими работу продукта вертикальным шнеком:
экстракторов, являются производительность, мощность
экстрактора. N тр = М вп / 974 , (4.3)
Производительность горизонтального где Мвп - момент сопротивления вертикального шнека
транспортирующего шнека определяется: от трения продукта о шнек и подъема по виткам.
Q = 60 f зап ⋅ f наб ⋅ π ⋅ r1 ⋅ h ⋅ ω ⋅ ρ ,
2
(4.1) М вп = Рв ⋅ rср ⋅ tg (ϕ + β ) , (4.4)
где r1–радиус шнека, м; где Рв - осевая нагрузка на шнек, кг;
h - шаг шнека, м; rср - средний радиус шнека, м;
ω - частота вращения, мин-1; φ -угол наклона спирали шнека, град.;
ρ - плотность экстрагируемого материала, кг/м3. β-угол трения, град.
Шаг витка рассчитывают по формуле: Осевая нагрузка на шнек определится как:
h = 2 D ⋅ tgϕ , Рв = ( R 2 − r 2 ) ρ н ⋅ Н , (4.5)
где φ–угол естественного откоса экстрагируемого
где ρн - плотность продукта, насыщенного водой, кг,ь3;
материала, град.;
Н-высота загрузки шнека, м (Н=0,8 всей высоты).
D- внутренний диаметр экстрактора, м.
Мощность, затрачиваемая на трение продукта о стенки
Мощность электропривода шнеков (кВт) определяется
корпуса:
по формуле:
N = ( N тр + N к ) / ηобщ , (4.2) N к = P ⋅ f тр ⋅ R ⋅ tgϕ ⋅ π ⋅ ω ⋅ k p /(102 ⋅ 30) , (4.6)
где Р–суммарная сила давления продукта на стенки
где Nтр–мощность, затрачиваемая на транспортировку
корпуса, кг;
продукта, кВт;
fтр - коэффициент трения продукта (принимается
Nк -мощность, затрачиваемая на трение продукта о
равным 0,2);
корпус, кВт;
kр - коэффициент распора (принимается равным 0,5.
21 22
4.3.Методика проведения работ Лабораторная работа № 5
Работу выполняют в лаборатории кафедры. «Изучение работы ферментатора»
6.3.1.Работу начинают с изучения правил эксплуатации 5.1. Цель работы
экстракторов. Изучить устройство, правила эксплуатации
6.3.2.Затем выполняют эскиз экстрактора с указанием ферментатора, определить конструктивные и
основных узлов и деталей. технологические параметры устройства, произвести
6.3.4.Определить конструктивные и технологические расчеты, сделать анализ и выводы.
параметры оборудования. 5.2. Общие положения
6.3.5.Производят расчеты по приведенным формулам и Ферментаторы используются для глубинного
заполняют таблицу. выращивания микроорганизмов. Они подразделяются на
группы: по способу культивирования (апппараты
Таблица 4.1. непрерывного и периодического действия), стерильности
Q N Р Мвп h (на герметичные и не герметичные), по конструктивным
признакам (на ферментаторы с диффузором и турбиной, с
вращающимися аэраторами, с механическими мешалками,
с наружным циркуляционным контуром, колонные
ферменататоры, с эжекционной системой аэрации.
В микробиологической промышленности практически
все процессы культивирования продуцентов биологически
активных веществ, за исключением дрожжей для
получения БВК на парафинах, гидролизатах и сульфитных
щелоках, проводятся периодическим способом в
стерильных условиях.
Ферментатор с механической мешалкой и барботером
представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической
формы с эллиптическими крышкой и днищем. На крышке
аппарата расположен привод перемешивающего
устройства и механического пеногасителя, штуцера для
загрузки питательной среды, посевного материала,
пеногасителя, подачи и вывода воздуха, смотровые окна,
люки для погружения моющей механической головки,
предохранительный клапан и штуцера для приборов
визуального контроля.
23 24
Ферментатор с механическим перемешиванием разборный ромб из перфорированных труб с отверстиями,
барботажного типа вместимостью 63 м2: расположенными в шахматном порядке. Вал приводится во
вращение от электродвигателя с частотой вращения
1 – электродвигатель; 2 110…250 мин-1.
– редуктор; 3 – муфта; Ферментатор оборудован паровой рубашкой,
4 – подшипник; 5 – состоящей из 6…8 ярусов-секций.
сальник; 6 – вал; Диаметр турбинной мешалки ферментатора
7 – корпус; 8 – рассчитывается по формуле:
турбинная мешалка; 9
d м = (0,3...0,33) Dвн , (5.1)
– змеековый
теплообменник; 10 – где Dвн-внутренний диаметр ферментатора, м.
муфта; Частота вращения мешалки, мин-1:
11 – труба для подвода n1 = ω / π ⋅ d м , (5.2)
воздуха; 12 – где ω-окружная скорость мешалки, м/с. Значение ее
лопастная мешалка; 13 принимается из таблицы 5.1.
– барботер; Таблица 5.1.
14 – винтовая Перемешивающие Вязкость Окружн
мешалка; 15 – опорный устройства среды, Па.с ая скорость
подшипник; 16 – мешалки,
штуцер для спуска; м/с
17 – рубашка; 18 – Лопастные,якорные,рам 0,001…0,0 3,0…2,0
загрузочный штуцер; ные 04 2,5…1,5
19 – штуцер для 4…8 1,5…1,0
подачи воздуха. 8…15
Турбинные 0,001…5 7…4,2
5…15 4,2…3,4
15…25 3,4…2,3
Пропеллерные 0,001…2 4,8…16
Рис.5.1. Потребляемая мощность без учета влияния
Для выгрузки культуры в днище аппарата вспомогательных устройств:
N м = K N ⋅ ρ c ⋅ n3 ⋅ d м ,
5
предусмотрен спускной штуцер. Внутри аппарата проходит (5.3)
вал с закрепленными на нем перемешивающими где KN-критерий мощности, зависящий от
устройствами, расположенными в два яруса лопастными интенсивности перемешивания и характеризующийся
мешалками и третьей открытой турбины. Барботер центробежным критерием Рейнольдса;
расположен в днище аппарата и представляет собой
25 26
ρс-плотность среды, P-рабочее давление воздуха в аппарате над
n-число мешалок,шт; уровнем жидкости, Па;
dм-диаметр мешалки, м. hс-высота набивки сальника, м (hс=6 Sс).
Reц = ρ с ⋅ n ⋅ d 2 м / µ с , (5.4) Для определения Nс можно принять P=0,1 мПа).
Определение диаметра приводного вала мешалки
где с-динамическая вязкость среды.
производят по приближенной формуле, исходя из
Расчетная мощность на валу мешалки:
прочности его на кручение:
N p = k1 ⋅ k2 (∑ k + 1) ⋅ N м (5.5)
M
где k1-коэффициент заполнения аппарата растущей d в = 1,713 кр + с м (5.9)
культурой; τ доп
k2-коэффициент, учитывающий увеличение где Мкр-крутящий момент на валу мешалки, Н.м;
потребляемой мощности из-за повышения сопротивления τдоп.-допускаемое напряжение для материала вала
растущей культуры в процессе роста (k2=1,1); на кручение;
∑k-коэффициент, учитывающий увеличение см-поправка на коррозию, эрозию и износ
потребляемой мощности на преодоление сопротивления, материала, м.
вызываемого вспомогательными устройствами. Крутящий момент на валу мешалки:
k1 = H ж / Dвн , (5.6) M кр = 0,163N р / n, (5.10)
где Рж-высота слоя перемешиваемой жидкости (для где Nр- передаваемая расчетная мощность на валу; n-
турбинных мешалок Нж=0,65 Нап). запас прочности.
∑ k = kп + k м + kтр + k т , (5.7) С целью обеспечения жесткости полученную
kп-коэффициент сопротивления отражательных расчетную величину dв умножают на коэффициент 1,25 и
перегородок; получают dв’. для определения диаметра участка вала,
kм-коэффициент сопротивления дополнительной расположенного выше нижней турбинки dв’’ величину dв’
мешалки умножают на коэффициент 1,07. для определения диаметра
kтр-коэффициент сопротивления трубы для подвода участка вала, расположенного нвыше верхней турбинки,
воздуха; dв’’’ при проходе через сальник величину dв’ умножают на
kт-коэффициент сопротивления гильзы для термометра. коэффициент 1,14.
Значения kп,kм,kтр,kт в зависимости от типа мешалки Вал обычно изготовляют из стали Ст.45. предел
приведены в табл.9.2. прочности для Ст.45 на растяжение σв= 610 мН/м2 (около
Мощность на преодоление трения в сальнике вала: 62 кг/мм2), запас прочности nв =2,6. Допустимое
0 ,1
hc напряжение на растяжение вычисляют путем деления
N c = 2n ⋅ d в ⋅ S c ⋅ Р ⋅ (e
2
− 1)Sc
(5.8) величины предела прочности на растяжение на величину
-1 запаса прочности:
где n и dв-частота вращения, мин и диаметр вала, м;
Sc-толщина набивки сальника вала, м; [σ ] = σ в / n в . (5.11)
27 28
Допустимое напряжение на кручение [ τ ] =0,6 [ σ ]. Приход тепла Расход тепла
Допустимое напряжение для валов перемешивающих С питательной средой С готовой культурой
устройств [ τ’ ]= 0.5 [ τ ]. Q1= Gпcпtп Q5= Gкcкtк
Толщина сальниковой набивки (мм): Биологическое тепло, С охлаждающей водой
Sс = 0,044 d ''в , (5.12) выделяющееся при росте Qв= Gвcвt2в
’’ культуры, Q2= qp С продуваемым
где dв - диаметр вала, м.
С охлаждающей водой воздухом Q7= Li
Затем определяют расчетную силу сжатия набивки p’c (
Q3= Gвcвt1в Потери тепла в
Н ):
hc
С продуваемым воздухом окружающую среду
0.04
Q4= Li1 Q8= 3600αFa∆t
p c = π (d в + S c )S c pe
' '' Sc
, (5.13)
где p- лопустимое давление в аппарате при Где Gп, Gв, Gк- масса питательной среды, охлаждающей
стериализации, Па. воды и готовой культуры, кг; сп, св и ск- удельные
Окончательную установленную мощность Nуст= (кВт) теплоемкости питательной среды, охлаждающей воды и
приводного электродвигателя мешалки вычисляют по готовой культуры, кДж/(кг·К); tп ,tк ,t1в и t2в- температуры
формуле: питательной среды, готовой культуры, начальная и
N уст = 1,15( N p + N c ) / η , (5.14) конечная охлаждающей воды, К; q- среднее количество
где η- КПД редуктора привода. тепла, выделяющееся при приросте биомассы культуры
микроорганизма; кДж/кг; р- прирост биомассы организмов,
Затем по величине Nуст подбирают вертикальный
кг/ч; L- количество продуваемого воздуха, кг/ч; i1 и i2-
привод, тип электродвигателя, его мощность и частоту энтальпия свежего и отработавшего воздуха, кДж/кг; α-
вращения. коэффициент теплоотдачи от поверхности ферментатора в
Тепловой баланс ферментаторов. В ферментаторе в окружающую среду, кВт/(м2·К); Fa- площадь поверхности
процессе жизнедеятельности микроорганизмов выделяется ферментатора, м2; ∆t- средняя разность температур
тепло. При повышении температуры растущей культуры растущей культуры и окружающего ферментатор воздуха,
рост культуры замедляется, а затем возможна и гибель К.
микроорганизма. Для предотвращения этого ферментаторы Уравнение теплового баланса ферментатора имеет вид:
должны быть оборудованы теплосъемными устройствами ( G в c в ( t 2в − t 1в ) = Q1 + Q 2 + Q 5 + Q 8 − L(i 2 − i1 ).
змеевики, рубашки, тепловые трубы).
Обозначим Q1+Q2- Q5- Q8- L(i2-i1)= Q, тогда расход
Количество тепла, отводимого от растущей культуры, охлаждающей воды (кг/ч):
и расход охлаждающей воды определяют из теплового Q
баланса. Gв = . (5.15)
c в ( t 2в − t 1в )
Площадь поверхности теплопередачи ферментатора,
2
м:
29 30
Q Таблица 5.2
F= , (5.16) Значения коэффициентов k, учитывающих увеличение
3600К∆t
где К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); ∆t- мощности мешалки из-за наличия в аппарате
средняя разность температур растущей культуры и вспомогательных устройств
охлаждающей воды, 0С.
1 Вспомог Тип перемешивающего устройства
К= . (5.17) ательное Лопа Яко Турб Пропел
(1 / α 1 + δ / λ + 1 / α 2 )
устройство стное рное и инное лерное
Величина теплоотдачи α2 для воды определяется в рамное
зависимости от критерия Re. Определение величины Четыре 1 - 1?5 0?5
теплоотдачи от стенки к растущей среде α1 усложняется отражательн
наличием в среде большого количества, раздробленного на ые
мелкие пузырьки и ухудшающего условие теплоотдачи. перегородки
Поэтому с определенной погрешностью можно шириной
воспользоваться эмпирическим уравнением для В=0,08 Dвн,
определения теплоотдачи от поверхности трубы к разным расположенн
по плотности и вязкости растворам сахара и мелассы при ые у стенок
естественной конвекции: аппарата
α 1 = 28503 ( t ж − t ст ) / µ , (5.18) Одна 0,35 - - -
где tж и tст – температуры растущей культуры и стенки дополнитель
рубашки, 0С; µ- динамическая вязкость среды, Па·с. ная
Вязкость разбавленных мелассных растворов может горизонтальн
быть вычислена по формуле: ая лопасть,
µ = (1,2 + 0,046B − 0.0014Bt )10 −3 , (5.19) равная по
где В- концентрация раствора, %; t- температура размеру
раствора. лопасти
На основании опытных данных для ферментаторов, основного
снабженных охлаждающими рубашками, с учетом перемешива
загрязнения стенок можно принимать К=3000 Вт/(м2·К). ющего
Расход воздуха на аэрирование растущей культуры устройства
находится в пределах 60-120 м3/(ч·м3). Труба 0,2 0,2 0,2 0,1
для
передавлива
ния раствора
Гильза 0,1 0,1 0,1 0,05
31 32
для Лабораторная работа № 6
термометра «Изучение оборудования для производства
или замороженных биологически активных веществ»
поплавковый
уровнемер 6.1. Цель работы.
Две 0,3 0,3 0,3 0,15
вертикальны Изучить устройство, принцип работы фризера и
е трубы, скороморозильного аппарата; правила эксплуатации
расположенн указанных видов оборудования; определить и рассчитать
ые под основные показатели оборудования.
углом,
превышающ 6.2. Общие положения.
им 90о (в
плане) Основным технологическим процессом
Змеевик 2,0 - - - производства мороженого с добавлением биологически
с правой активных веществ является процесс фризерования, при
навивкой, котором происходит охлаждение смеси, ее интенсивное
расположенн перемешивание, диспергирование воздуха и насыщение им
ый вдоль продукта, замораживание влаги, образование льда и его
цилиндричес дробление. Для этих целей в промышленности
ких стенок используются фризеры периодического и непрерывного
аппарата действия.
Спираль 2,5… - - - Основными показателями, характеризующими
ный змеевик, 3,0 работу фризера, являются производительность и расход
установленн холода.
ый у дна Производительность фризера М (кг/с):
аппарата, mδ M nFM ρ ср
при диаметре M= 6 , (6.1)
10 Ф нер Ф рав
труб
0,033…0,054 где m – число ножей;
м δм– толщина срезаемого слоя мороженого, м (δМ =
Детали - - - 0,95 15*10-6-25*10-6 м);
для n – частота вращения ножей, с-1 (n = 54…600 с-1);
крепления Fм– поверхность, с которой срезается слой
диффузора мороженого, м2;
ρср – средняя плотность мороженого, кг/м3;
33 34
Фнер – коэффициент, показывающий неравномерность Wв – содержание воды в смеси, %;
срезания слоя (Фнер=1,1…1,2); Wл – содержание замороженной воды (льда), %;
Фрав – коэффициент, характеризующий См – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг °С);
размораживание срезанного слоя в зависимости от глубины Ссм – удельная теплоемкость мороженого, Дж/(кг °С).
замораживания (Фрав = 1,2…1,9).
Средняя плотность мороженого: Количество замороженной влаги определяют
ρ см следующим образом:
ρ ср = , (6.2) для невязких продуктов:
S
1+
100
3 100t − 216,12
где ρсм – плотность смеси, кг/м ; WЛ = (6.6)
S – взбитость мороженого, %. t
Взбитость мороженого: для вязких продуктов:
V − VCM
S= M 100% , (6.3) 100t − 238,1
VCM WЛ = , (6.7)
t
где Vм – удельный объем мороженого, м3/кг;
где t – температура замораживания, °С.
Vсм – удельный объем смеси, м3/кг.
Расход холода на компенсацию тепловыделения от
Расход холода при работе фризера определяют по
работы мешалки и ножей определяют:
уравнению:
Q = Qпр + Q мех + Qп , (6.4)
Q мех = ηN , (6.8)
где Q – расход холода Дж/с;
где η – коэффициент, показывающий какая часть
Qпр – расход холода на охлаждение смеси мороженого
механической энергии превратилась в тепловую (η =
и замораживание влаги при фризеровании, Дж/с;
0,65…0,85);
Qмех – расход холода на компенсацию
N – мощность, потребляемая фризером, Вт.
тепловыделений от работы мешалки и ножей, Дж/с;
Qп – потери холода, Дж/с (20% от ).
Мощность, потребляемая фризером, определяется:
Расход холода на охлаждение смеси мороженого и
на замораживание влаги при фризеровании определяют:
N = N1 + N 2 + N 3 , (6.9)
[ ]
Qпр = M C cм (t см − t кр ) + С м (t кр − t м ) + 33,5W ВW Л , (6.5) где N1 – мощность, затрачиваемая на срезание слоя
мороженого ножами, Вт;
где Qпр – расход холода при фризеровании, Дж/с;
N2 – мощность, затрачивания на трение мороженого о
М – производительность фризера, кг/с;
стенку цилиндра, Вт;
tсм – начальная температура смеси, °С;
N3 – мощность, затрачиваемая на трение ножа о стенку
tм – температура мороженого при выгрузке из фризера,
цилиндра, Вт.
°С;
35 36
После фризерования мороженое фасуется и
N 1 = δ м l nυ мср mtgαPмср , (6.10) замораживается (закаливается) в скороморозильных
где lн – длина ножа, м; аппаратах.
υмср – скорость, срезания слоя, м/с; Количество холода, необходимое для
α – угол установки ножа, (α=32…35°); замораживания смеси мороженого в скороморозильном
Рмср – механическое напряжение при срезании слоя, аппарате, определяют:
Н/м2.
Q1 = MC cм (t1 − t 2 ) + W3 q , (6.14)
ρ cр
Р мср = Р л (6.11) где Q1 – количество холода, Дж;
ρл
М – количество смеси, кг;
где Рл – механическое напряжение при срезании льда, Н/м2; t1, t2 – начальная и конечная температуры смеси, °С;
ρл – плотность льда, кг/м3 (ρл = 900 кг/м3) ; W3 – количество влаги, замороженной в процессе
ρср – средняя плотность мороженого, кг/м3. закалки, кг;
Мощность, затрачиваемую на трение мороженого о q – скрытая теплота льдообразования, Дж*кг.
стенки цилиндра и при вращении мешалки с ножами,
определяют: Количество влаги, замороженной в процессе
закалки, определяют:
N 2 = ξ тр r 4 l н tgα тω 2 ρ см Фдоп , (6.12) MWВ (W зак − W Л )
′
W3 = , (6.15)
где ξmp – коэффициент трения; 100 * 100
r – радиус мешалки, м; ′
W зак – количество влаги, вымороженной в результате
ω – угловая скорость вращения ножей мешалки, рад/с;
′
процесса фризерования и закаливания,%, ( W зак =85…90%).
Фдоп – коэффициент, учитывающий дополнительные
затраты мощности при усложнении конструкции мешалки,
(Фдоп = 1,2…1,5). 6.3. Программа выполнения работы.
νм 6.3.1. Изучить правила эксплуатации фризеров, их
ξ тр = ξ 0 , (6.13) устройство и принцип работы.
ν см 6.3.2. Определить конструктивные и технологические
где ξ0 – коэффициент трения для ламинарного режима при параметры оборудования и рассчитать некоторые его
движении смеси, (ξ0= 0,06); характеристики.
νм, νсм – кинематическая вязкость соответственно 6.3.3. Снять параметры работы оборудования.
мороженого и смеси, м2/с.
При расчетах величиной N3 можно пренебречь
ввиду ее малости по сравнению с N2.
37 38
6.4. Методические указания по выполнению В заключение работы проводят анализ работы
работы оборудования.
Работу выполняют в аппаратном цехе или в цехе 6.5. Отчет о работе
мороженого АО «Молоко».
5.4.1. Работу начинают с изучения правил Отчет о лабораторной работе должен содержать:
эксплуатации гомогенизаторов. 6.5.1. Основные правила эксплуатации фризеров и
5.4.2. Выполняют эскиз гомогенизатора с указанием скороморозильных аппаратов.
основных конструктивных элементов. 6.5.2. Эскизы оборудования с указанием основных
5.4.3. Определяют температурные параметры узлов и деталей.
процесса фризерования. 6.5.3. Таблицу с некоторыми характеристиками
Для определения взбитости смеси мороженого берут фризера.
пробу смеси мороженого, объем которой должен 6.5.4. Анализ результатов расчетов, работы
соответствовать объему готового продукта. Пробу смеси и оборудования и выводы.
готовый продукт взвешивают.
При наблюдении за работой фризера определяют
действительную производительность подсчетом
количества порций мороженого за промежуток времени.
По технической характеристике фризера находят
необходимые данные для расчетов. Проводят расчеты
фризера согласно разделу 6.2.
Результаты измерений и расчетов оформляют в табл.
6.1.
Таблица 6.1
Некоторые характеристики фризера
Температура, °С Удельный Действ. Взби- Рас Мощност
объем, произв. тость ход ь, Вт
кг/м3 фри- моро- хол
на моро кри мо исход зера жено ода по рас
ч. ж. о ро- - го, , пас чет
см при ско же- ной % Дж - -
ес выгр п. ног смеси /с пор ная
и узке о ту
6.4.4. Затем переходят к скороморозильному аппарату
и выполняют работу по описанной выше методике.
39 40
Предыдущая
1
2
3
Следующая
Поставщики ресурсов
Авторам
Контакты
Обратная связь
Вопросы и ответы
funke
zip lock
3d
wow
7-450
ielts
orly
-95
754
southpark
lucent definity
nokia 8910
dunlup 205 55 r16
5440.11 ()
-
478
russia music awards
knauf
nokia 6021
master
lucent definity
1
2-79
6131
-4361